三极管共射极电路-静态、动态分析

电子电容全能解 2024-06-04 11:23:35

1. 静态和动态、直流路径和交流路径的概念

当放大电路没有输入信号(vi=0)时,电路中各处的电压、电流都是不变的直流量,此时称放大电路处于直流工作状态或静止状态,简称静态。

当放大电路输入信号后(vi≠0时),电路中各处的电压、电流处于变动状态,电路处于动态工作情况,此时称放大电路处于交流工作状态,简称动态。

在静态工作情况下,BJT各电极的直流电压和直流电流的数值,将在管子的特性曲线上确定一点,称为静态工作点(简写为Q点)。放大电路静态工作点的正确选择,是保证电路动态正常工作的前提。

2. 静态分析

基于电路处于静态角度<Vi=0>,进行分析,可以得到如下三个公式:

因为IB比IC要小很多,可以认为IC=VCC/Rc。

当IC=0mA时,BJT的CE两端相当于开路,VCE=VCC。

通过IC和VCE的值,可以得到下图红色直线,称为直流负载线。它和IB=n uA对应的输出曲线相交。

此时得到IB,IC和 VCE的一组值。它们所代表的工作状态称为放大电路的静态。相交点即为静态工作点,用 Q表示。

Q点确定后,就可以进行下一步动态分析了。

3. 动态分析

放大电路的动态分析是研究放大电路在一定输入信号下<Vi≠0>,输出信号(电压和电流)的动态变化。从而确定输出电压和电流,得出输入信号与输出信号的相位关系和放大电路的电压增益。

首先在三极管的基极和发射极之间有结电压VBE。当有Vi输入时,基极和发射极之间的结电压变成VBE+Vi。利用三极管的输入特性曲线,可以描出Vi的每一个电压值对应的iB。如下图,左图是三极管的输入特性曲线。右图下方是VBE+Vi的波形,对应可以得到iB曲线。

第二步,在静态分析章节说的三极管输出曲线上,通过上一步得到的iB曲线,描出Vce和iC曲线。如下图所示。

这样就得到了Vi、Vo=Vce的波形。同时也得到了iB和iC波形。通过波形可以看出,相对于Vi,Vo被放大,只是波形相位是相反的。

当电路中的VCC、Rb和Rc等值固定,不发生变化时,放大电路的直流负载线是不变的。

当 iB在一定范围变动时,直流负载线与输出特性曲线的交点也会随之改变。在上图中,放大电路的工作点随着 iB的变动将沿着直流负载线在 Q′与Q″点之间移动,由于直线段 Q′Q″是工作点移动的轨迹,通常称为动态工作范围。

在 vi的正半周,iB先逐渐增大,放大电路的工作点将由 Q点移到Q′点,相应的 iC由 IC增到最大值,而 vCE由原来的 VCE减小到最小值;

然后 iB逐渐减小,放大电路的工作点将由 Q′回到Q,相应的 iC也由最大值回到 IC,而 vCE则由最小值回到 VCE。

在 vi的负半周,变化规律正好相反,放大电路的工作点先由 Q移到Q″,再由 Q″回到Q点。

4. 交流负载线

以上分析都是基于放大电路本身,并没有考虑此电路驱动负载时的情况。加上负载<下图中的RL>会是什么样子呢?

对带有负载电路做静态分析时,只需要分析直流信号。而直流信号又被隔直电容C2挡住,因此RL对电路静态分析没有影响。

对电路进行动态分析时,RL就起作用了。

从交流信号的角度看,RC和RL并联接地。

和电路没有连接负载时类似,当电路连接负载之后,放大电路的工作点随着 iB的变动将沿着一条新的负载线在 Q′与Q″点之间移动,称此线为交流负载线。

怎么得到交流负载线呢?

交流负载线和直流负载线一定会在 Q点相交,这是因为表征静态工作情况的 vi=0,也是动态过程中的一个点。一般通过 Q点作一条斜率为-1/RL’的直线就可得到交流负载线。

5. Q点选择不当的

BJT的输出特性分成饱和区、放大区和截止区三个区域。通过改变IB的值,输出信号在三个区转换。只有恰当地选择 Q点才能使BJT处于放大区,通过电流控制实现放大作用。

如果 Q点过高,BJT就会从放大状态转化为饱和状态,而 Q点过低时,BJT又会从放大状态转换为截止状态。

下图所示为NPN三极管构成的的放大电路,输出信号与输入信号存在差异,称为失真。它称为非线性失真(Nonlinear Distortion),分为截止失真和饱和失真。一般来说,Q点应选在交流负载线的中央,这时可获得最大的不失真电压输出,亦即可以得到最大的动态工作范围。

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